太阳能光合细菌连续制氢试验系统研究

【摘要】： 本论文是在国家“863”计划项目“中小型太阳能光合生物制氢系统及生产性运行研究”(项目编号:2006AA05Z119)、国家自然科学基金项目“光合生物制氢体系的热效应及其产氢机理研究”(项目编号:50676029)的资助下完成。 化石能源的日渐枯竭及其使用所带来环境污染问题迫使人们开发新的清洁可再生能源以满足社会可持续发展的需要,氢能因能量密度高、燃烧无污染且利用形式多样而被公认为未来主要的能源载体形式,以氢能使用为核心的“氢能经济”和“氢能社会”发展模式是人们对未来能源使用技术的憧憬。生物制氢是利用微生物自身代谢释放氢气的过程,其产氢条件温和,环境友好且原料来源丰富而被认为是未来氢能生产的主要形式。在各类生物制氢技术中,光合细菌制氢不仅有较高的产氢能力,其还可以利用多种有机废弃物作为产氢原料,实现氢能生产和废弃物处理的双重目标而成为制氢技术研究的热点。 光合细菌制氢是光合细菌在光照条件下将有机质转化为氢气的生理代谢过程,光合细菌制氢反应器的开发是光合细菌制氢技术研究从实验室向实际生产转化的关键环节。面对日益增长的氢能市场,开发具有连续生产能力的光合细菌制氢反应器成为实现光合细菌制氢产业化生产的基础条件。论文在总结现有光合细菌制氢反应器发展现状的基础,结合光合细菌产氢的基本特性,提出了大型光合细菌连续制氢反应器设计的技术途径,研制出了以太阳能为主光源、LED为辅助光源的太阳能光合细菌连续制氢试验系统,系统的试验运行为光合细菌连续制氢反应器的开发提供了参考和依据。 论文的主要研究成果如下: (1)在对现有光合细菌制氢反应器比较研究的基础上提出了内置光源多点分布式的光合细菌制氢反应器的设计方法。内置光源形式可改变采光面作为反应器结构材料所带来的反应器容积受限和保温问题;多点分布的点光源布置形式可以解决反应器容积受限,使反应器的内部得到均匀光照;太阳能作为主光源和辅助人工冷光源的使用可有效降低反应器的运行成本。 (2)照明光纤可以实现太阳光远距离向反应器的柔性传播,同时还可以滤除太阳光中对光合细菌生长的有害辐射。在各类照明光纤的比较中,多芯塑料聚合物光纤不仅可以满足复杂路径下光传输的要求,其还能实现反应器内多点布光的要求。 在人工冷光源的选择试验中发现,光合细菌在黄色发光LED(Light-Emitting Diode)下的生长和产氢的效果要优于其它对照组,黄色发光LED可以用作光合细菌连续产氢的辅助光源以弥补太阳能因周期性和不稳定性变化所带来的消极影响。 (3)反应器顶部空间中不同初始气体成分虽然会对光合细菌的生长和产氢带来一定的影响,但少量空气的存在并不会对光合细菌的产氢产生明显的抑制作用。对于连续运行的光合细菌制氢反应器的设计来说可以不使用惰性气体对顶空气体进行置换,但其顶部空间应小于反应器容积的1/3以上。 (4)研制出了太阳能光合细菌连续制氢试验系统,该系统由反应器本体、太阳能集热换热单元、太阳能聚光传输单元、太阳能光伏转换单元、气体收集与储存单元、自动控制单元等6部分组成。 反应器采用折流式结构设计不仅可以满足反应器内部不同空间中布光要求,同时实现反应物在流动过程中自搅拌效果。反应器本体由8个结构相同的独立隔室组成,其设计容积5.76m3,有效工作容积为5.18m3;反应器内部共布置228根玻璃布光管,满足了反应器内部均匀布光的需要;试验系统采用太阳能真空管集热器为反应器提供热量维持反应液温度恒定,太阳能真空管集热器面积为6m2,热水箱容积1.3m3;换热器采用不锈钢三角形翅片管式换热器,其基管直径为φ20mm,换热器换热面积为8.6 m2;太阳能聚光器采光面积2.7m2;太阳能电池板容量为120Wp,蓄电池容量为180Ah,满足系统2d的工作要求。 (5)不同消泡剂对光合细菌的生长和产氢影响的试验表明:在试验所选择的消泡剂中,菜籽油对光合细菌的生长和产氢不存在抑制现象,且具有较强的消泡能力,其经济添加量为0.05%,过高则会引起产氢量下降。 (6)太阳能光合细菌连续制氢试验系统的启动试验表明:当以纯葡萄糖为单一产氢底物时,需要补充(NH4)2SO4、NaCL、KH2PO4等基础营养物质并在进料时追加30%以上的活性菌体才能满足光合制氢反应器连续稳定产氢的要求。 (7)以葡萄糖为底物的运行试验表明:底物浓度对反应器的稳定运行和产氢具有明显的影响,在相同试验条件下系统的总产氢量随着浓度的增加而增加,试验在3%的葡萄糖浓度下获得了最大产氢量;当进料浓度超过4%后,由于高浓度葡萄糖的快速降解导致反应器内溶液迅速酸化使产气率下降。 (8)不同水力滞留期对光合细菌产氢的影响表明:短的水力滞留期可以减少中间产物对后继反应的抑制,但过短的水力滞留期则导致原料的利用低下降,甚至出现原料不完全降解的现象;长水力滞留期条件下虽然可以提高原料利用率,但代谢产物在局部空间中的长时间停留将会对菌体生长产生抑制,并引起产氢率下降。试验在水力滞留期为36h时获得的最高产氢率为4.225m3/m3·d。 (9)利用不同粪便作产氢底物进行的试验表明:在试验所选择的几种畜禽粪便中,牛粪最适宜用作光合细菌产氢的底物,其在黑暗好氧条件下经过5～7d的预处理可以达到最佳产氢效果,试验在其COD为7000mg/L时得到的最大产氢率为0.56 m3/m3·d,过低的粪便浓度由于可转化物质减少导致产氢降低,过高的浓度则因光线在溶液中穿透性较差导致光合细菌无法得到足够光照而引起产氢下降。